PFAS – Caratteristiche, rischi e impatto ambientale

Alla luce dei potenziali effetti negativi delle sostanze PFAS (cfr. riquadro informativo), negli ultimi anni sono stati introdotti numerosi valori limite, valori guida e valori di riferimento, ad esempio per l’acqua potabile. Con l’ampliamento della base di dati e una migliore comprensione degli effetti sulla salute, in futuro è prevedibile un ulteriore inasprimento dei requisiti normativi.

I ricercatori hanno già individuato diverse applicazioni industriali come fonti rilevanti di PFAS. Tra queste figurano, tra l’altro, alcuni siti produttivi dell’industria chimica e le schiume antincendio contenenti fluoro, utilizzate in particolare negli aeroporti. Mentre per queste fonti sono già state messe a punto e continuano ad essere sviluppate indagini e contromisure, finora sono disponibili solo pochi dati sul possibile rilascio di PFAS derivante da applicazioni legate alla tecnologia dell’idrogeno. Con la prevista forte espansione degli elettrolizzatori PEM e dei sistemi a celle a combustibile, si pone quindi sempre più spesso la questione se anche queste tecnologie causino potenziali emissioni di PFAS e in che misura potrebbero rendersi necessarie misure tecniche o normative.

Prime ricerche sui veicoli a celle a combustibile

Per una prima valutazione indicativa di questa questione, un team del Centro per la tecnologia delle celle a combustibile (ZBT) e dell’Istituto per la ricerca sulle risorse idriche (IWW) ha analizzato in uno studio il rilascio di PFAS da diversi veicoli a celle a combustibile (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV) [3]. A tal fine sono state prelevate campioni da due autovetture e da un veicolo commerciale, che sono stati analizzati per individuare composti selezionati del gruppo dei PFAS, utilizzando la cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa in tandem (LC-MS/MS) secondo la norma DIN EN 17892:2024-08.

Le analisi hanno evidenziato la presenza di PFAS in tutti i veicoli esaminati, con un totale di cinque diversi PFAS identificati. Particolarmente evidente è stata la differenza di concentrazione tra autovetture e veicoli commerciali, probabilmente attribuibile alle diverse dimensioni e configurazioni dello stack. I composti rilevati erano, con una sola eccezione, acidi carbossilici perfluorurati. La loro formazione appare in linea di principio plausibile alla luce dei processi di degradazione radicalica delle membrane attualmente oggetto di discussione.

Le concentrazioni rilevate si sono attestate complessivamente su livelli bassi. Per contestualizzare i risultati è utile consultare la guida alla valutazione dei PFAS basata sulle soglie di irrilevanza (GFS) e sui valori orientativi per la salute (GOW), messa a disposizione dal Ministero federale dell’Ambiente, della Protezione del clima, della Conservazione della natura e della Sicurezza nucleare (BMUKN). In base a quanto riportato, attualmente non vi sono indicazioni di un cambiamento negativo delle caratteristiche dell’acqua.Tuttavia, le normative vigenti non coprono tutti i PFAS presenti. Con l’introduzione di nuovi valori limite e l’ampliamento delle possibilità analitiche, le valutazioni future potrebbero quindi subire variazioni.

Gli studi preliminari hanno evidenziato che numerose questioni scientifiche rimangono ancora irrisolte. Qual è l’influenza delle diverse condizioni operative sulla formazione dei PFAS? Si formano altri PFAS al di fuori delle analisi standard consolidate? I PFAS possono presentarsi anche in fase gassosa ed essere rilasciati attraverso i flussi di aria di scarico? I composti rilevati provengono effettivamente dalle membrane o da altri componenti contenenti fluoro? In che misura i risultati ottenuti dalle celle a combustibile sono trasferibili agli elettrolizzatori PEM?

Il progetto di ricerca Parzell

Per rispondere a queste domande è stato avviato il progetto collaborativo “Analisi qualitativa e quantitativa dei PFAS in condizioni operative realistiche di elettrolisi PEM e celle a combustibile: rilevanza ambientale e definizione di misure”, in breve Parzell. Il progetto (01LF24640N) è finanziato dal Ministero federale dell’Economia e dell’Energia nell’ambito del programma di finanziamento della Ricerca Industriale Collettiva (IGF) e riunisce le competenze del Centro per la tecnologia delle celle a combustibile (ZBT), dell’Istituto per l’Ambiente e l’Energia, Tecnologia e Analisi (IUTA) e dell’Istituto per la Ricerca sulle Acque (IWW). Un comitato composto da 16 partner industriali, provenienti tra l’altro dai settori della tecnologia di analisi e misurazione, della tecnologia ambientale e della produzione di componenti e filtri, affianca il progetto. Il progetto studia le celle a combustibile PEM e le celle di elettrolisi in condizioni operative realistiche su scala di laboratorio. A tal fine, i ricercatori adattano gli appositi banchi di prova in modo specifico alle complesse esigenze di campionamento, al fine di rilevare potenziali emissioni di PFAS sia in fase acquosa che in fase gassosa.

Particolare attenzione è rivolta all’identificazione e alla quantificazione il più possibile complete dei PFAS. A tal fine, vengono ampliati i metodi di analisi esistenti e sviluppate nuove procedure. Oltre alle sostanze bersaglio classiche, si intendono identificare soprattutto i PFAS sulla base dei possibili meccanismi di degradazione.

Per la preparazione e l’arricchimento dei campioni vengono utilizzati e ottimizzati nuovi metodi in fase acquosa e gassosa. L’obiettivo è quello di riuscire a rilevare anche concentrazioni minime. Parallelamente, vengono esaminate le possibili perdite dovute all’adsorbimento all’interno dei componenti periferici, al fine di garantire la massima qualità possibile dei dati. Per l’analisi chimica vengono impiegate numerose tecniche all’avanguardia (GC-MS/MS, LC-HRMS, LC-MS/MS, AOF). Questi metodi consentono sia la quantificazione mirata di composti noti sia l’identificazione di strutture PFAS finora sconosciute. A integrazione di ciò, diversi materiali a membrana vengono sottoposti a esperimenti mirati di degradazione.

Infine, i partecipanti al progetto intendono sviluppare, sulla base dei dati sperimentali, un modello matematico che consenta di elaborare una prima previsione delle emissioni potenziali in diverse condizioni operative e di identificare le condizioni di funzionamento con emissioni minime. I risultati saranno utilizzati per valutare potenziali misure tecniche di riduzione delle emissioni(ad es. adsorbimento, decomposizione elettrochimica, strategie operative adeguate o ottimizzazione delle MEA).